ВЛИЯНИЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛ. 07. глава 1. Электрофизические основы электромагнитной обстановки тяговой подстанции
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
Источники электромагнитных помех Электромагнитную обстановку на тяговых подстанциях необходимо экспериментально исследовать с целью более глубокого понимания опасности электромагнитных помех. При этом важно количественно определять импульсные помехи в цепях РЗА при коммутациях разъединителями и выключателями на шинах РУ, а также при разрядах молнии; напряженности электромагнитных полей в местах размещения устройств РЗА; помехи в цепях постоянного тока и электростатические потенциалы операторов на щитах управления, обусловленные зарядами статического электричества. Электромагнитные воздействия на автоматизированные системы управления при коротких замыканиях и ударах молнии необходимо определять путем имитации этих режимов и сопоставлением их с реальными событиями на обследуемых объектах. Тяговые подстанции КТЖ различаются по составу силового оборудования, аппаратуры РЗА, типам кабелей и трассам их прокладки по территории объекта, по состоянию заземляющих устройств и удельному сопротивлению грунта, поэтому необходимо производить анализ источников ЭМП индивидуально для каждой из них. Переходные процессы в цепях высокого напряжения при коммутациях Коммутации высоковольтными выключателями и разъединителями на тяговых подстанциях вызывают электромагнитные помехи вследствие резкого изменения напряжения ΔUна шинах высокого напряжения распределительного устройства подстанции. Изменение напряжения ΔU в первичной цепи вызывает в ней переходный процесс и появление колебательных затухающих импульсов тока и напряжения (серию импульсов в случае повторных зажиганий дуги). Первоначальное значение тока (амплитудное значение) пропорционально отношению ΔU к волновому сопротивлению первичной цепи. Следовательно, можно ожидать, что амплитуда тока примерно пропорциональна напряжению сети. Коммутации с разъединителями характеризуются многократными (до 5000 и более) повторными зажиганиями дуги. Время коммутации зависит от типа разъединителя и составляет от десятков миллисекунд до нескольких секунд. Крутизна фронта импульсов тока и напряжения зависит от скорости изменения напряжения, а частота колебаний зависит от характеристик первичной цепи и может составлять от десятков кГц до единиц МГц для подстанций и станций с открытым распределительным. Колебательные затухающие импульсы тока и напряжения могут распространяться по шинам распределительного устройства и создавать электрические и магнитные поля. Напряженность магнитного поля прямо пропорциональна току в шинопроводе. Напряженность магнитного поля, аналогично значению тока, в течение нескольких микросекунд уменьшается до нуля, в то время как электрическое поле, зависящее от заряда шинопровода, достигает некоторого установившегося значения. Пробой электрической изоляции (КЗ на землю) или срабатывание разрядников приводит к снижению потенциала токоведущих частей установки ВН, что, в свою очередь, вызывает переходный процесс подобно тому, как это происходит при коммутационных операциях. Ток короткого замыкания, протекающий по заземляющему устройству установки, вызывает повышение его потенциала, содержащего высокую и промышленную частоты колебаний. Амплитуда такого тока, в первом приближении, прямо пропорциональна напряжению пробоя, которое может быть значительно больше напряжения повторного зажигания дуги при коммутациях. Такие ситуации могут вызывать появление сильных электромагнитных возмущений, особенно если происходят в непосредственной близости от приемника помех. Срабатывание искровых разрядников менее опасно, чем пробой изоляции, из-за меньшего напряжения перекрытия и удаленного положения этих устройств. Однако амплитудные значения параметров таких переходных процессов намного выше, чем при повторных зажиганиях дуги в коммутационных аппаратах. Зажигание дуги в вентильном разряднике вызывает, подобно искровому разряднику, появление переходных процессов высокой частоты. Максимальные значения параметров переходного процесса ниже вследствие наличия остаточного напряжения на нелинейном сопротивлении разрядника. Наличие нелинейного сопротивления предотвращает появление больших токов замыкания на землю промышленной частоты. Срабатывание ограничителей перенапряжений не приводит к появлению высокочастотных переходных процессов в сети, так как переход ОПН из практически непроводящего состояния в проводящее происходит плавно. Таким образом, при коммутациях цепей высокого напряжения разъединителями и выключателями во вторичных цепях возникают импульсные помехи в виде колебательных затухающих импульсов различной частоты, продолжительности и декремента колебаний. При коммутациях разъединителем имеет место наиболее продолжительный процесс из серии импульсов - до нескольких тысяч за одну коммутацию. При коммутациях выключателями возникают помехи в виде нескольких импульсов. Максимальное значение импульсных помех составляет от десятков вольт до нескольких киловольт, а длительность импульсов - от единиц до десятков микросекунд. Для тяговых подстанций с открытым распределительным устройством амплитуда помехи приблизительно пропорциональна номинальному напряжению. Более высокий уровень импульсных помех при коммутациях разъединителями и выключателями наблюдается на объектах с высоким удельным сопротивлением грунта. Чем ближе проходит трасса кабелей автоматизированной системы технологического управления к шинам высокого напряжения, тем выше уровень помех. При прокладке кабелей в лотках уровень помех ниже, чем для контрольного кабеля, проложенного по той же трассе на поверхности земли в несколько раз из-за взаимного экранирования кабелей в лотке. Для кабелей, проложенных в кабельном канале в земле ниже контура заземления, уровень помех снижается в сотни раз по отношению к уровню помех в контрольном кабеле на поверхности земли. Наибольшие уровни помех регистрируются в измерительных цепях напряжения, заземленных в распределительном устройстве. В некоторых случаях наблюдаются резонансные явления, когда амплитуда помех возрастает в несколько раз. В частотном спектре импульса присутствует несколько составляющих Диапазон изменения этих частот для энергообъектов лежит в интервале от десятков кГц до десятков МГц. Основная частота помехи увеличивается с уменьшением размеров распределительного устройства. Электрические и магнитные поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием. Силовое оборудование тяговых подстанций (шины, силовые кабели, реакторы, трансформаторы и т.д.), находящееся под напряжением создает вокруг себя электрические и магнитные поля промышленной частоты и гармонических составляющих. Напряженности этих полей зависят от класса напряжения и тока в силовом оборудовании, а, кроме того, и от пространственного положения проводников с током (в частности, отвысоты проводников над поверхностью земли, междуфазного расстояния последовательности фаз и числа цепей). Расчеты напряженностей электрических и магнитных полей на территории ОРУ ТП затруднены вследствие экранирующего действия многочисленного силового оборудования, расположенного в различных местах ОРУ. Более достоверные сведения могут быть получены на основе измерений. Магнитные и электрические поля промышленной частоты (а также гармонические составляющие низкой частоты) могут оказывать неблагоприятное влияние на АСТУ ТП из-за низкочастотных наводок в цепях сигнализации и управления, в измерительных цепях, воздействуя непосредственно на терминалы микропроцессорных устройств и на мониторы компьютеров. Близкое расположение реакторного помещения и щита управления, являются примером неучета требований обеспечения ЭМС АСТУ ТП на стадии проектирования объекта. Повышения потенциала заземляющего устройства подстанции при протекании токов КЗ промышленной частоты Длительность протекания токов КЗ промышленной частоты по ЗУ ТП может составлять несколько десятых долей секунды. Протекающий ток может достигать десятки кА (вплоть до 60 кА). Конкретное значение тока КЗ зависит от мощности питающей системы, структуры сети (степени взаимосвязи отдельных ветвей), удаленности и вида КЗ. Под действием токов короткого замыкания на ЗУ ТП может возникнуть опасное повышение потенциала дляАСТУ ТП. При этом появляются значительные разности потенциалов между двумя произвольными точками ЗУ, которые могут быть источником опасных перенапряжений, например, для вторичных кабельных измерительных цепей напряжения и тока, управления и сигнализации, подключенных к терминалам на релейном щите. Разность потенциалов зависит от удельного сопротивления земли, конфигурации, сечения и материала заземлителя. Таким образом, кабели могут подвергаться воздействию значительных токов и напряжений. При коротких замыканиях на ТП токи, протекающие по заземленным оболочкам и жилам кабелей вторичных цепей, могут достигать практически полного значения тока короткого замыкания. При этом возможны термическое повреждение изоляции кабеля, «взрыв» кабеля, выгорание контактных соединений. Основными причинами термического воздействия на оболочки и жилы кабелей вторичных цепей являются следующие дефекты заземляющих устройств: заземление оборудования только через оболочки и жилы кабелей; большая длина проводника, заземляющего оборудование; соединение заземляющих устройств, территориально приближенных друг к другу, только через оболочки и жилы кабелей.  Рисунок 1.5 - Перекрытие между кабелями вторичных цепей при КЗ на подстанции При КЗ на ТП относительная неэквипотенциальность (отношение падения напряжения по заземляющему устройству к потенциалу заземляющего устройства) может достигать 40 %, как показано, например, на рисунке 1.5. При этом падение напряжения вдоль кабеля, отходящего от поврежденного оборудования (кабеля с заземленной оболочкой или жилой), может достигать 4 кВ. Однако разность потенциалов на концах кабелей, расположенных далеко от места замыкания оборудования, может практически отсутствовать. Если кабель, находящийся под нулевым потенциалом, расположен рядом с кабелем, находящимся под потенциалом в несколько киловольт, может произойти перекрытие изоляции между заземленными оболочками или жилами этих кабелей. Быстрые переходные процессы при коммутациях в цепях низкого напряжения При отключении индуктивной нагрузки (например, электромеханических реле или приводов выключателей) в цепи возникают быстрые переходные процессы, характеризующиеся малой длительностью фронта импульса напряжения, высокой частотой быстрозатухающих колебаний и невысоким уровнем энергии свободных колебаний. На рисунке 1.6. приведена схема замещения, объясняющая механизм образования такого переходного процесса. В схеме параллельно индуктивной нагрузке показаны паразитная емкость С. При замкнутых контактах выключателя В через индуктивность протекает установившийся ток I=UА/R. При размыкании контактов благодаря высокочастотному переходному процессу потенциал емкости С возрастает, вызывая повышение напряжения на контактах выключателя. Это напряжение может превысить напряжение пробоя межконтактного воздушного промежутка. При этом возникает кратковременная дуга, вызывающая снижение напряжения на контактах до UA. Затем начинается повторная зарядка емкости и так далее. Все вышеуказанное приводит к последовательным подъемам (при зарядке емкости) и резким снижениям (при пробое ключа) напряжения на контактах коммутационного аппарата, сопровождающимся перемежающейся дугой. Для описываемого процесса характерны следующие особенности: ток разряда емкости через контакты коммутационного аппарата ограничивается активным и индуктивным сопротивлением соединительных проводов и коммутационного аппарата; дуга существует, если ток через контакты выключателя превышает минимальный ток поддержания дуги IА (от 0.1 до 1 А), в противном случае дуга гаснет и начинается повторная зарядка емкости в процессе свободных колебаний в контуре RLC;  Рисунок 1.6 - Схема замещения цепи с отключением индуктивной нагрузки и форма напряжения на контактах выключателя и на индуктивности когда напряжение на контактах выключателя превысит напряжение пробоя, промежуток снова пробивается и напряжение падает до напряжения дуги UA (для воздушных контактов оно равно приблизительно 12 В). Когда дуга гаснет, емкость снова начинает заряжаться в контуре RLC; при полном погасании дуги первоначально запасенная в цепи энергия рассеивается и напряжение на емкости уменьшается до нуля. На рисунке 1.6. также показано, что при расхождении контактов возможно развитие тлеющего разряда, что приводит к появлению миниатюрных перемежающихся дуг в случае, если поддержание разряда возможно (для воздушных контактов U=280 В, а ток Iнаходится в диапазоне от 1 до 100 мА). Помехи в цепях оперативного тока при коммутации электромеханических устройств могут приводить к появлению проблем в части ЭМС. Основными параметрами переходных процессов при рассмотренных коммутациях являются: • длительность серии импульсов, определяемая, главным образом, энергией, запасенной в цепи до коммутации; • частота повторения одиночных переходных процессов; • изменяющаяся амплитуда напряжения при последующих переходных процессах. Как частота повторения, так и амплитуда напряжения, в основном, определяются скоростью расхождения контактов, напряжением, выдерживаемым между контактами в открытом состоянии. Быстрые электрические переходные процессы происходят и при коммутациях контакторов. В частности, для трехфазных устройств переходный процесс в целом представляет собой набор из нескольких серий пиков, вызываемых различными коммутационными явлениями. Переходные процессы при ударах молнии Молния является наиболее мощным естественным источником электромагнитных возмущений. В настоящее время получены достаточно достоверные сведения по основным параметрам молнии (амплитуда тока, крутизна фронта, параметры грозовой активности и т.д.) для положительных и отрицательных импульсов молнии при любом возможном механизме их образования. При рассмотрении вопросов ЭМС следует иметь ввиду, что молния и связанные с ней электромагнитные поля обусловливают сильное влияние в месте удара и вблизи него. При разработке устройств внутренней молниезащиты учитываются максимальное значение и крутизну нарастания тока. В каждом конкретном случае могут быть рассчитаны электрические и магнитные поля, связанные с полным током молнии или токами в заземляющем устройстве, а также индуктированные ими токи и напряжения в цепях АСТУ ТП. При этом необходимо учитывать такие факторы, как удаление от места удара молнии, конфигурацию приемной системы, характеристики зданий, заземляющих устройств и др. С позиций ЭМС максимальная крутизна SEm первого фронта кривой напряженности электрического поля, является очень важной величиной. Эта величина пропорциональна наибольшей крутизне фронта тока молнии SIm=(dI/dt)max: SEm=[ν/(2·π·ε0·c2)]·SІm/d, где v – скорость фронта волны тока молнии, ν = (0,2-0,6)с Крутизна тока молнии, согласно последним измерениям, может составлять до 300 кА/мкс. В наиболее известных документах СИГРЭ и МЭК, посвященных этому вопросу, приводятся значения крутизны фронта тока на уровне 200 кА/мкс, с вероятностью превышения не менее 0,01. Рассчитанные максимальные крутизны первого фронта кривой электрического поля молнии во время разряда могут удерживаться в течение нескольких сотен наносекунд. При протекании обратного тока молнии при рекомбинации зарядов и развитии лидера генерируются электромагнитные поля в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Результатом прямого попадания молнии в линию электропередачи является бегущая волна, распространяющаяся вдоль линии электропередачи. При прямом попадании молнии в фазный провод вид фронта и спада импульса напряжения зависит от формы тока молнии. Длительность фронта импульса может составлять доли микросекунд, а его крутизна - до 50 МВ/мкс. Крутизна импульса напряжения рассчитывается Vmax=SIm·Zс / 2, как где Zс - волновое сопротивление линии. Импульс имеет длительность (время до момента уменьшения импульса до половины его амплитуды) порядка нескольких десятков мкс. В случае обратного перекрытия с опоры или заземленного троса на фазный провод длительность фронта импульса напряжения составляет порядка нескольких десятков наносекунд (до нескольких сотен наносекунд при большой длине промежутка), в то время как длительность импульса меньше, чем в случае прямого попадания молнии в фазный провод, и составляет от 5 до 15 мкс. Крутизна фронта импульса, где напряжение превышает начальное напряжение импульсной короны Uo, уменьшается при ее прохождении некоторого расстояния d. Эффект сглаживания фронта импульса имеет огромное значение. Так, на расстоянии около 1 км (или немного меньше) от места удара, вне зависимости от формы импульса в месте удара, крутизна фронта импульса будет не меньше 1 МВ/мкс. С точки зрения ЭМС наиболее важным является перекрытие изоляции ЛЭП. Вследствие пробоя образуется резкий срез импульса напряжения (обычно на спаде) длительностью порядка десятков или нескольких сотен наносекунд. При движении импульса вдоль ЛЭП крутизна этого среза остается практически неизменной, так как импульсная корона не оказывает на него заметного влияния. Крутизна этого среза может уменьшаться только вследствие потерь в линии. Таким образом, срезанный импульс вследствие перекрытия линейной изоляции оказывает более сильное воздействие на оборудование (например, на вторичные обмотки трансформатора тока), присоединенное непосредственно к линии, чем фронт. При расчете эффектов, обусловленных молнией при прямом ударе в элементы ТП (здания, грозозащитные тросы или заземленные токоведущие части открытой подстанции), ВЧ излучение, создаваемое каналом молнии, обычно не учитывают. В этой ситуации основную роль играет распределение импульсных токов молнии по элементам подстанции, включая оборудование, попадающее в зону растекания тока молнии. Можно отметить два основных механизма передачи помех: • низкочастотный механизм, связанный с повышением потенциала заземлителя и напрямую связанный с амплитудой тока молнии; • высокочастотный механизм, главным образом, зависящий от пространственного расположения элементов ПС (и в меньшей степени связанный с их заземлением) и напрямую связанный с крутизной фронта тока молнии. На практике непосредственные попадания молнии в элементы ТП могут рассматриваться как квазистационарные явления. Из этого следует, что для практического моделирования пригодна теория цепей, особенно в тех случаях, когда элементы могут быть представлены в виде взаимосвязанного набора проводящих ветвей. Таким образом, при помощи классической теории цепей можно оценить распределение импульсных токов по объекту. Воздействие электромагнитного поля молнии на линии электропередачи или сооружения имеет особенное значение для распределительных линий низкого и среднего напряжения и гораздо менее важны для линий высокого напряжения, поскольку он сопровождается пробоями изоляции на линиях среднего напряжения, вызванных индуктированными грозовыми перенапряжениями. Результатом индуктированных перенапряжений является бегущий импульс тока и напряжения, распространяющийся по линии подобно импульсам, вызванным прямыми ударами молнии в ЛЭП. Амплитуда импульса напрямую зависит от расстояния от места удара молнии в землю до линии. Она возрастает при увеличении высоты линии и заметно уменьшается вследствие экранирования заземленными грозозащитными тросами, если они имеются. На линиях среднего и низкого напряжения амплитуда бегущего импульса часто превышает напряжение пробоя изоляции, что вызывает ее пробой и срез импульса. Удары молнии в молниеприемники на территории энергообъекта, как правило, вызывают нарушения в работе АСТУ ТП: повреждения кабелей и элементов устройств, неправильное функционирование отдельных устройств. Анализ таких случаев на действующих подстанциях КИГОК, показал, что при ударах молнии в молниеприемники, расположенные вблизи кабельных каналов или лотков, происходит пробой изоляции кабелей с земли. В результате перекрытия изоляции импульс перенапряжения распространяется по вторичным цепям системы (например, оперативного тока), вызывая повреждение отдельных элементов устройств. Амплитудно-частотные характеристики импульсных помех, возникающих в кабелях, изменяются в широком диапазоне и зависят от параметров тока молнии, трассы и длины кабелей, нагрузки на концах кабелей. Частотный спектр изменяется от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Амплитуда импульсных помех может составлять от десятков вольт до десятков киловольт. Следующие воздействия представляют опасность при ударах молнии в территорию ТП: • непосредственное попадание в высоковольтное оборудование и здания; • воздействие на АСТУ ТП импульсных магнитных полей от тока молнии; • перекрытие с ЗУ через грунт на кабели АСТУ ТП; • перекрытие с поверхности земли на жилы кабелей; • обратное перекрытие с молниеприемника на первичное оборудование; • индуктирование импульсных перенапряжений в цепях вторичной коммутации. На рисунке 1.7 дана иллюстрация воздействий молнии на энергообъект, а в таблице 1.2 приведены некоторые их характеристики.  Рисунок 1.7- Возможные воздействия молнии: D — непосредственный удар; F— удаленный разряд; PAS — шина выравнивания потенциалов; Re— сопротивление заземления (0,5—10 Ом); S — петля, образованная проводами; W — разряд между облаками; 1 — защищаемый объект; 2 — часть защищаемого устройства; 3 — трансформаторная подстанция; 4 — кабель линий управления, связи; 5 — кабель низкого напряжения; 6 — воздушная линия электропередачи. Таблица 1.2- Характеристики воздействия молнии на объекты
Непосредственное попадание молнии в оборудование высокого напряжения и здания исключается за счет правильного выбора зон защиты молниеприемников. При определении типа и мест размещения молниеприемников, (стержневой, тросовый или сетка на здании), а также токоотводов и заземления молниеприемника необходимо рассчитывать не только зоны защиты от прямого удара молнии, но и уровни воздействий на АСТУ ТП. Учитывая, что АСТУ ТП установлены в железобетонных зданиях и в металлических шкафах, вводят коэффициент ослабления магнитного поля, обусловленного этими конструкциями. Для импульсных полей тока молнии указанный коэффициент для зданий и шкафов, в которых размещаются АСТУ ТП, как правило, более 10. 1.2.6 Электромагнитные воздействия и помехи в сетях переменного и постоянного тока низкого напряжения В условиях эксплуатации невозможно гарантировать на энергообъекте идеальные условия электроснабжения переменным током в точке присоединения нагрузки (строго синусоидальное напряжение, постоянные частота и амплитуда). Необходимо учитывать следующие реально существующие явления: длительные (более 10 мин) отклонения эффективного напряжения от номинального, ± 10%; отклонения частоты от номинальной, ±2%; • несимметрия трехфазных напряжений (отклонение напряжений прямой и обратной последовательностей), 2—3%; • искажения формы кривой напряжения за счет высших гармоник, 5—7%; непериодические провалы напряжения (рисунок 1.8) из-за отключения или включения нагрузки двигателей (5—10% номинального напряжения длительностью от 100 мс до нескольких секунд); из-за подключения силовых трансформаторов, косинусных конденсаторов и др. (95% номинального напряжения длительностью несколько миллисекунд); при коротких замыканиях вследствие повреждения изоляции, при несовершенстве коммутации выключателей (100% номинального напряжения длительностью от 100— 500 мс до нескольких секунд); периодические снижения напряжения (вызванные, например, управляемыми выпрямителями), 20% максимального напряжения сети, несколько раз в течение периода колебаний; непериодические перенапряжения, вызванные коммутациями — от 200В до 2 кВ при скорости нарастания 50 В/нс, с энергией колебаний — 300 мДж, длительности от 1 — 100 мкс до нескольких миллисекунд; периодические перенапряжения до 300 В с частотой повторения 50 Гц и выше, возникающие при работе коллекторных двигателей или управляемых полупроводниковых вентилей, со временем нарастания до амплитудного значения 0,05—1 мкс, частотой т 0,1 до нескольких мегагерц, длительностью несколько десятков микросекунд; грозовые перенапряжения.  Рисунок 1.8- Соотношение допустимого снижения напряжения Δu/Umax — и длительность снижения t: А — промышленные сети; В — городские сети; С — сельские сети; D — сети с повышенной стабилизацией напряжения Возможные диапазоны параметров помех (скорость нарастания напряжения  и энергия  , а также корреляция между этими параметрами и максимальным перенапряжением Umах показаны на рисунке 1.9, а, б. Рисунок 1.9- Соотношения максимальной скорости изменения напряжения (а), энергии (б) и максимальной амплитуды Umах:1 — значения с вероятностью 50% и менее; 2 — значения с вероятностью 99,8% и менее Помехи в сети постоянного тока во многом сходны с помехами в сети переменного тока: провалы напряжения, перенапряжения при коммутационных процессах, импульсные помехи при коммутациях на высоком напряжении и при грозовых разрядах. Особенностью сети постоянного тока являются наличие: пульсации до 60% при отключении аккумуляторной батареи; переменной составляющей промышленной частоты (при воздействии сильных магнитных полей от силового оборудования); импульсных помех при коммутации электромеханических устройств систем РЗА и силового оборудования с приводом на постоянном токе. Наличие больших пульсаций в сети постоянного тока существенно снижается помехоустойчивость терминалов автоматических и автоматизированных систем технологического управления электротехническими объектами по дискретным входам. | ||||||||||||||||||||||||
